Redis 数据类型及相关命令详解

Redis (Remote Dictionary Server) 是一个开源的、基于内存的、键值对存储数据库，它以其高性能、丰富的数据类型和原子操作而闻名。Redis 不仅仅是一个简单的键值存储，它更像一个数据结构服务器，支持字符串(String)、列表(List)、集合(Set)、有序集合(Sorted Set)、哈希(Hash)、位图(Bitmap)、HyperLogLog 和地理空间索引(Geospatial Index)等多种数据类型。

本文将深入探讨 Redis 的各种数据类型，详细介绍每种类型的特性、常用命令及其使用场景，帮助读者全面理解和掌握 Redis 的强大功能。

1. 字符串 (String)

字符串是 Redis 中最基本的数据类型，它是二进制安全的，这意味着它可以存储任何类型的数据，例如文本、数字、序列化对象，甚至是图片。字符串类型的最大长度为 512MB。

常用命令：

• SET key value [EX seconds|PX milliseconds] [NX|XX]：设置键值对。
  • EX seconds：设置过期时间，单位为秒。
  • PX milliseconds：设置过期时间，单位为毫秒。
  • NX：仅当键不存在时设置。
  • XX：仅当键已存在时设置。
• GET key：获取键对应的值。
• MSET key value [key value ...]：一次设置多个键值对。
• MGET key [key ...]：一次获取多个键的值。
• INCR key：将键的值递增 1，如果键不存在，则创建并初始化为 0，然后递增。
• INCRBY key increment：将键的值递增指定的整数。
• DECR key：将键的值递减 1。
• DECRBY key decrement：将键的值递减指定的整数。
• APPEND key value：将值追加到键的现有值末尾。
• STRLEN key：获取键的值的长度。
• GETRANGE key start end：获取键的值的子字符串。
• SETRANGE key offset value：从指定的偏移量开始，用新值覆盖键的值的一部分。
• GETSET key value：设置键的新值，并返回旧值。

使用场景：

• 缓存： 将经常访问的数据（如用户信息、配置信息）存储在 Redis 中，减少数据库访问次数，提高应用性能。
• 计数器： 利用 INCR 和 DECR 命令实现各种计数功能，如网站访问量、点赞数、下载量等。
• 分布式锁： 利用 SETNX 命令（SET 命令的 NX 选项）实现简单的分布式锁。
• 会话管理： 将用户会话信息存储在 Redis 中，实现快速的会话读取和更新。
• 全局ID: 利用INCR,保证生成的ID是唯一且递增的.

示例：

```

设置键值对

SET mykey "Hello Redis"

获取键的值

GET mykey # 输出: "Hello Redis"

设置过期时间为 10 秒

SET mykey "Hello Redis" EX 10

递增计数器

INCR counter

批量设置键值对

MSET key1 "value1" key2 "value2"

批量获取键的值

MGET key1 key2 # 输出: 1) "value1" 2) "value2"
```

2. 列表 (List)

列表是一个有序的字符串集合，允许重复元素。Redis 的列表底层实现为双向链表，这意味着在列表两端插入和删除元素的操作非常快（O(1) 时间复杂度），但根据索引访问元素的速度较慢（O(N) 时间复杂度）。

常用命令：

• LPUSH key value [value ...]：将一个或多个值插入到列表头部。
• RPUSH key value [value ...]：将一个或多个值插入到列表尾部。
• LPOP key：移除并返回列表头部的元素。
• RPOP key：移除并返回列表尾部的元素。
• LINDEX key index：获取列表指定索引位置的元素。
• LLEN key：获取列表的长度。
• LRANGE key start stop：获取列表指定范围内的元素。
• LINSERT key BEFORE|AFTER pivot value：在列表的指定元素之前或之后插入新元素。
• LREM key count value：从列表中移除指定数量的指定元素。
  • count > 0：从头部开始移除。
  • count < 0：从尾部开始移除。
  • count = 0：移除所有匹配的元素。
• LTRIM key start stop：修剪列表，只保留指定范围内的元素。
• BLPOP key [key ...] timeout：阻塞式地移除并返回列表头部的元素，如果列表为空，则阻塞直到有元素可用或超时。
• BRPOP key [key ...] timeout：阻塞式地移除并返回列表尾部的元素。

使用场景：

• 消息队列： 利用 LPUSH 和 BRPOP 命令实现简单的消息队列，生产者将消息推入列表，消费者阻塞式地从列表尾部取出消息。
• 最新动态： 存储用户发布的最新动态，例如微博、朋友圈等，可以使用LRANGE命令分页显示.
• 任务队列： 存储待处理的任务，多个工作进程可以并发地从任务队列中获取任务。
• 历史记录： 存储用户的操作历史记录，例如浏览记录、搜索记录等。

示例：

```

将元素插入列表头部

LPUSH mylist "world"
LPUSH mylist "hello"

获取列表所有元素

LRANGE mylist 0 -1 # 输出: 1) "hello" 2) "world"

从列表尾部弹出一个元素

RPOP mylist # 输出: "world"

阻塞式地从列表头部获取元素，超时时间为 10 秒

BLPOP mylist 10
```

3. 集合 (Set)

集合是一个无序的、不重复的字符串集合。Redis 的集合底层实现为哈希表，因此添加、删除和查找元素的操作都非常快（O(1) 时间复杂度）。

常用命令：

• SADD key member [member ...]：向集合添加一个或多个成员。
• SREM key member [member ...]：从集合中移除一个或多个成员。
• SMEMBERS key：获取集合的所有成员。
• SISMEMBER key member：判断成员是否属于集合。
• SCARD key：获取集合的成员数量。
• SINTER key [key ...]：返回多个集合的交集。
• SUNION key [key ...]：返回多个集合的并集。
• SDIFF key [key ...]：返回第一个集合与其他集合的差集。
• SRANDMEMBER key [count]：随机返回集合中的一个或多个成员。
• SPOP key [count]：随机移除并返回集合中的一个或多个成员。
• SMOVE source destination member: 将member元素从source集合移动到destination集合.

使用场景：

• 标签系统： 为对象添加标签，例如为文章添加“科技”、“互联网”、“新闻”等标签，可以方便地进行标签搜索和统计。
• 好友关系： 存储用户的好友关系，可以快速查找共同好友、判断是否为好友等。
• 黑名单/白名单： 存储 IP 地址黑名单或白名单，用于访问控制。
• 唯一值过滤： 利用集合的去重特性，过滤重复的数据，例如统计独立访客（UV）。
• 抽奖系统: 利用SRANDMEMBER 或 SPOP 命令实现.

示例：

```

向集合添加成员

SADD myset "apple"
SADD myset "banana"
SADD myset "apple" # 重复添加会被忽略

获取集合所有成员

SMEMBERS myset # 输出: 1) "banana" 2) "apple"

判断成员是否属于集合

SISMEMBER myset "orange" # 输出: 0 (false)

计算两个集合的交集

SADD otherset "banana"
SADD otherset "cherry"
SINTER myset otherset # 输出: 1) "banana"
```

4. 有序集合 (Sorted Set)

有序集合与集合类似，也是一个不重复的字符串集合，但每个成员都关联一个分数（score），Redis 根据分数对成员进行排序。有序集合的底层实现结合了哈希表和跳跃表（Skip List），因此在查找、添加、删除和更新元素时都能保持较好的性能（O(log N) 时间复杂度）。

常用命令：

• ZADD key [NX|XX] [CH] [INCR] score member [score member ...]：向有序集合添加一个或多个成员，或更新已存在成员的分数。
  • NX：仅当成员不存在时添加。
  • XX：仅当成员已存在时更新。
  • CH：返回修改的成员数量，包括添加的和更新的。
  • INCR：将成员的分数增加指定的值，类似于 ZINCRBY 命令。
• ZREM key member [member ...]：从有序集合中移除一个或多个成员。
• ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：获取有序集合指定范围内的成员，可以按分数从小到大或从大到小排序。
• ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]：获取有序集合指定范围内的成员，按分数从大到小排序。
• ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]：获取有序集合分数在指定范围内的成员。
• ZREVRANGEBYSCORE key max min [WITHSCORES] [LIMIT offset count]：获取有序集合分数在指定范围内的成员，按分数从大到小排序。
• ZSCORE key member：获取成员的分数。
• ZRANK key member：获取成员的排名（从小到大）。
• ZREVRANK key member：获取成员的排名（从大到小）。
• ZCARD key：获取有序集合的成员数量。
• ZCOUNT key min max：计算有序集合分数在指定范围内的成员数量。
• ZINCRBY key increment member：将成员的分数增加指定的值。
• ZREMRANGEBYRANK key start stop：移除有序集合指定排名范围内的成员。
• ZREMRANGEBYSCORE key min max：移除有序集合分数在指定范围内的成员。

使用场景：

• 排行榜： 存储游戏玩家的得分、文章的阅读量、商品的销量等，可以实时更新排行榜。
• 带权重的任务队列： 为任务分配不同的优先级（分数），优先级高的任务先被处理。
• 延迟队列： 将任务的执行时间作为分数，定期检查分数最小的任务是否到期，如果到期则执行。
• 范围查询： 按照分数范围查找，例如查找价格在某个区间的商品

示例：

```

向有序集合添加成员

ZADD leaderboard 100 "player1"
ZADD leaderboard 80 "player2"
ZADD leaderboard 120 "player3"

获取排行榜前两名（按分数从大到小）

ZREVRANGE leaderboard 0 1 WITHSCORES

输出:

1) "player3"

2) "120"

3) "player1"

4) "100"

获取玩家 "player2" 的分数

ZSCORE leaderboard "player2" # 输出: 80

将玩家 "player2" 的分数增加 10

ZINCRBY leaderboard 10 "player2"
```

5. 哈希 (Hash)

哈希是一个键值对集合，其中每个键都关联一个或多个字段（field）和值（value）。哈希非常适合存储对象，可以将对象的多个属性存储在同一个哈希中。

常用命令：

• HSET key field value [field value ...]：设置哈希中一个或多个字段的值。
• HGET key field：获取哈希中指定字段的值。
• HMSET key field value [field value ...]：一次设置哈希中多个字段的值。
• HMGET key field [field ...]：一次获取哈希中多个字段的值。
• HGETALL key：获取哈希中所有字段和值。
• HDEL key field [field ...]：删除哈希中一个或多个字段。
• HEXISTS key field：判断哈希中是否存在指定字段。
• HINCRBY key field increment：将哈希中指定字段的值增加指定的整数。
• HINCRBYFLOAT key field increment：将哈希中指定字段的值增加指定的浮点数。
• HKEYS key：获取哈希中所有字段。
• HVALS key：获取哈希中所有值。
• HLEN key：获取哈希中字段的数量。

使用场景：

• 存储对象： 将对象（如用户信息、商品信息）的多个属性存储在同一个哈希中，可以方便地读取和更新对象的属性。
• 购物车： 将用户的购物车信息存储在哈希中，每个商品 ID 作为字段，商品数量作为值。
• 配置管理： 将配置信息存储在哈希中，每个配置项作为字段，配置值作为值。

示例：

```

设置用户信息

HSET user:1 name "Alice" age 30 email "[email protected]"

获取用户信息

HGETALL user:1

输出:

1) "name"

2) "Alice"

3) "age"

4) "30"

5) "email"

6) "[email protected]"

获取用户年龄

HGET user:1 age # 输出: "30"

将用户年龄增加 1

HINCRBY user:1 age 1
```

6. 位图 (Bitmap)

位图不是一个真正的数据类型，它实际上是字符串类型的一种特殊用法。位图可以看作是一个由比特位组成的数组，每个比特位可以设置为 0 或 1。Redis 的位图操作可以高效地进行位级别的操作，例如统计用户活跃状态、签到等。

常用命令：

• SETBIT key offset value：设置位图中指定偏移量上的比特位的值。
• GETBIT key offset：获取位图中指定偏移量上的比特位的值。
• BITCOUNT key [start end]：统计位图中值为 1 的比特位的数量。
• BITOP operation destkey key [key ...]：对多个位图进行位运算（AND、OR、XOR、NOT），并将结果保存到目标键中。
• BITPOS key bit [start] [end]：查找位图中第一个值为指定值的比特位的偏移量。

使用场景：

• 用户活跃状态： 使用位图记录用户的每日活跃状态，每一位代表一天，1 表示活跃，0 表示不活跃，可以快速统计活跃用户数、连续活跃天数等。
• 用户签到： 使用位图记录用户的每日签到状态，每一位代表一天，1 表示已签到，0 表示未签到。
• 布隆过滤器： 位图可以用于实现布隆过滤器，用于判断一个元素是否存在于一个集合中。
• 统计独立用户: 每天的独立用户可以使用一个Bitmap来记录,最后通过BITOP命令进行计算.

示例：

```

设置用户在第 1 天和第 3 天活跃

SETBIT user:activity 0 1
SETBIT user:activity 2 1

获取用户在第 2 天的活跃状态

GETBIT user:activity 1 # 输出: 0 (false)

统计用户活跃天数

BITCOUNT user:activity # 输出: 2

对两个位图进行 AND 运算

SETBIT user1:activity 0 1
SETBIT user1:activity 1 1
SETBIT user2:activity 1 1
BITOP AND result user1:activity user2:activity
BITCOUNT result # 输出 1
```

7. HyperLogLog

HyperLogLog 是一种概率数据结构，用于估计一个集合中不同元素的数量（基数）。HyperLogLog 的优点是只需要非常小的内存空间就可以估计非常大的基数，但它提供的计数是近似值，有一定的误差。

常用命令：

• PFADD key element [element ...]：向 HyperLogLog 添加一个或多个元素。
• PFCOUNT key [key ...]：返回 HyperLogLog 的近似基数。
• PFMERGE destkey sourcekey [sourcekey ...]：合并多个 HyperLogLog。

使用场景：

• 统计网站 UV： 使用 HyperLogLog 统计网站的独立访客数（UV），只需要很小的内存空间就可以统计数亿级别的 UV。
• 统计搜索关键词： 使用 HyperLogLog 统计搜索关键词的数量，可以了解用户搜索的热点。

示例：

```

向 HyperLogLog 添加元素

PFADD myhll "apple"
PFADD myhll "banana"
PFADD myhll "apple" # 重复添加会被忽略

获取 HyperLogLog 的近似基数

PFCOUNT myhll # 输出: 2 (可能略有误差)
```

8. 地理空间索引 (Geospatial Index)

地理空间索引是一种用于存储和查询地理位置信息的数据结构。Redis 的地理空间索引可以将经纬度坐标与成员关联起来，并提供基于位置的查询功能，例如查找附近的成员、计算距离等。

常用命令：

• GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member ...]：将经纬度坐标与成员添加到地理空间索引中。
• GEOPOS key member [member ...]：获取成员的经纬度坐标。
• GEODIST key member1 member2 [unit]：计算两个成员之间的距离。
  • unit：距离单位，可以是 m（米）、km（千米）、mi（英里）、ft（英尺）。
• GEORADIUS key longitude latitude radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]：根据给定的经纬度坐标和半径，查找附近的成员。
  • WITHCOORD：返回成员的经纬度坐标。
  • WITHDIST：返回成员与中心点的距离。
  • WITHHASH：返回成员的 geohash 值。
  • COUNT count：限制返回的成员数量。
  • ASC|DESC：按距离排序（升序或降序）。
  • STORE key：将查询结果存储到指定的键中（存储成员）。
  • STOREDIST key：将查询结果存储到指定的键中（存储距离）。
• GEORADIUSBYMEMBER key member radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]：根据给定的成员和半径，查找附近的成员。
• GEOHASH key member [member ...]：获取成员的 geohash 值。

使用场景：

• 附近的商家： 存储商家的位置信息，可以根据用户的位置查找附近的商家。
• 打车服务： 存储司机的位置信息，可以根据乘客的位置查找附近的司机。
• 社交应用： 存储用户的位置信息，可以查找附近的人。

示例：

```

添加商家的位置信息

GEOADD locations 116.397128 39.916527 "商家A"
GEOADD locations 116.410873 39.919553 "商家B"

获取商家 A 的经纬度坐标

GEOPOS locations "商家A"

输出:

1) "116.39712834358215332"

2) "39.91652705063035746"

查找距离 (116.4, 39.92) 1 公里范围内的商家

GEORADIUS locations 116.4 39.92 1 km WITHCOORD WITHDIST
```

总结

Redis 提供了丰富的数据类型，每种类型都有其独特的特性和适用场景。通过灵活运用这些数据类型，可以构建高性能、高可用的应用。希望本文能够帮助你深入理解 Redis 的各种数据类型及其相关命令，并在实际开发中充分发挥 Redis 的优势。

请注意，本文仅涵盖了 Redis 的主要数据类型和常用命令，Redis 还有许多其他功能和命令，例如事务、发布/订阅、Lua 脚本、持久化等，读者可以参考 Redis 官方文档进行更深入的学习。